DE3034555A1 - BURNER FOR GAS TURBINE ENGINES - Google Patents

BURNER FOR GAS TURBINE ENGINES

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DE3034555A1 DE19803034555 DE3034555A DE3034555A1 DE 3034555 A1 DE3034555 A1 DE 3034555A1 DE 19803034555 DE19803034555 DE 19803034555 DE 3034555 A DE3034555 A DE 3034555A DE 3034555 A1 DE3034555 A1 DE 3034555A1
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Description

Patentanwälte ]_)ipl.~ing. Curt WallachPatent attorneys] _) ipl. ~ Ing. Curt Wallach

Dipl.-Ing. Günther KochDipl.-Ing. Günther Koch

^5. Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach^ 5. Dipl.-Phys. Dr Tino Haibach

Dipl.-Ing. Rainer FeldkampDipl.-Ing. Rainer Feldkamp

D-8000 München 2 ■ Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 24 02 75 · Telex 5 29 513 wakai dD-8000 Munich 2 ■ Kaufingerstraße 8 · Telephone (0 89) 24 02 75 · Telex 5 29 513 wakai d

Datum: 12. September I980 Date: September 12, 1980

Unser Zeichen: IJ 001 - K/ApOur reference: IJ 001 - K / Ap

Anmelder: Rolls-Royce LimitedApplicant: Rolls-Royce Limited

Buckingham Gate
London SWlE 6AT
EnglandBuckingham Gate
London SWlE 6AT
England

Titel: Brenner für GasturbinentriebwerkeTitle: Burners for gas turbine engines

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β -β -

Die Erfindung bezieht sich auf einen Brennstoff-Brenner für ein Gasturbinentriebwerk.The invention relates to a fuel burner for a gas turbine engine.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Form eines Brennstoff-Brenners zu schaffen, mit dem eine gute Brennstoffverteilung erreicht wird, und die Vermischung von Brennstoff und Luft und die Zerstäubung des Brennstoffs verbessert wird, und die Ablagerung von Kohlenstoff am Brenner insbesondere am Innenkörper entweder überhaupt vermieden oder weitgehend vermieden wird.The invention has for its object to provide an improved form of a fuel burner with the one good fuel distribution is achieved, and the mixing of fuel and air and atomization of the fuel is improved, and the deposition of carbon on the burner in particular on the inner body either avoided or avoided at all is largely avoided.

Die Erfindung geht aus von einem Brenner für ein Gasturbinentriebwerk mit einem Brennstoffζufuhrungsarm und einer Brennstoffeinlaßleitung,der Brennstoff vom Brennstoffzuführungsarm zugeführt wird. Gelöst wird die gestellte Aufgabe durch einen Strömungskanal, der konvergierende und divergierende Abschnitte und eine Einschnürung dazwischen aufweist, wobei der Strömungskanal stromauf der Einschnürung Brennstoff aus der Brennstoffzuführungsleitung über Brennstoff-Verwirbelungsmittel und komprimierte Luft über Luftverwirbelungsmittel erhält, und der divergierende Abschnitt weitere Luftverwirbelungsmittel aufweist, die die komprimierte Luft und die Mischung von Brennstoff und Luft empfangen, die aus der Einschnürung austreten und durch die Verwirbelungsluft, die aus der weiteren Luftverwirbelungsvorrxchtung austritt, aufgenommen werden.The invention is based on a burner for a gas turbine engine with a fuel supply arm and a fuel inlet line, the Fuel is supplied from the fuel supply arm. The task at hand is solved by a Flow channel having converging and diverging sections and a constriction therebetween, the Flow channel upstream of the constriction, fuel from the fuel supply line via fuel swirling means and receives compressed air via air swirling means, and the diverging section receives further air swirling means that receive the compressed air and the mixture of fuel and air emerging from the constriction exit and taken up by the turbulence air emerging from the further Luftwirbelungsvorrxchtung will.

Der Brennstoff und die komprimierte Luft, die in den Strömungskanal stromauf des konvergierenden Abschnitts eintreten, können entweder in der gleichen Richtung oder in entgegengesetzten Richtungen verwirbelt werden, und die beiden Luftverwirbelungsvorrichtungen können ebenso eingerichtet sein, um die komprimierte Luft in gleicher Richtung oder in entgegen-The fuel and compressed air entering the flow channel upstream of the converging section, can be swirled either in the same direction or in opposite directions, and the two air swirlers can also be set up to convey the compressed air in the same direction or in the opposite direction.

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gesetzten Richtungen zu verwirbeln.set directions to swirl.

Der Strömungskanal kann eine vorstehende Lippe aufweisen, die den Brennstoff aus der Brennstoffverwirbelungsvorriohtung in die Wirbelmasse der Luft leitet. Die Lippe kann stromauf der Luftverwirbelungsmittel angeordnet werden und in den Strömungskanal hinein verlaufen, oder sie kann stromab der Luftverwirbelungsmittel liegen und sich in den Strömungskanal von der äußeren Oberfläche her erstrecken.The flow channel may have a protruding lip that directs the fuel from the fuel swirling device into the swirling mass of the air. The lip can be upstream of the Air swirling means can be arranged and run into the flow channel, or it can be downstream of the air swirling means lie and extend into the flow channel from the outer surface.

Die Brennstoffzuführungsleitung ist durch einen Ring definiert, der eine ringförmige Ausnehmung besitzt und in einer Öffnung am Ende des Brennstoffzuführungsarms und eines Zwischenkörpers liegt, in denen die Brennstoffverwirbelungsmittel und die weiteren Luftverwirbelungsmittel ausgebildet sind. Der Strömungskanal kann durch Zusammenwirken von Zwischenkörper und Innenkörper definiert werden, der mit den Luftverwirbelungsmitteln versehen ist. Die Brennstoff-Luftverwirbelungsmittel können aus Löchern, Schlitzen oder Schaufeln oder jeder Kombination hiervon bestehen, und tangential im Strömungskanal angeordnet werden.The fuel supply line is defined by a ring, which has an annular recess and in an opening at the end of the fuel supply arm and an intermediate body lies in which the fuel swirling means and the further air swirling means are formed. The flow channel can be created by the interaction of the intermediate body and the inner body be defined, which is provided with the air swirling means. The fuel-air swirler can consist of holes, slots or blades or any combination thereof, and arranged tangentially in the flow channel will.

Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:Exemplary embodiments of the invention are described below with reference to the drawing. In the drawing show:

Fig. 1 eine schematische Schnittansicht eines Gasturbinentriebwerks mit einem gemäß der Erfindung ausgebildeten Brennstoffbrenner;1 is a schematic sectional view of a gas turbine engine with a fuel burner designed according to the invention;

Fig. 2: in größerem Maßstab Einzelheiten des in Fig. 1 dargestellten Brenners;FIG. 2: on a larger scale, details of the burner shown in FIG. 1;

Fig. 3 eine abgewandelte Ausführungsform eines Brenners3 shows a modified embodiment of a burner

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gemäß der Erfindung;according to the invention;

Fig. 4 einen Teilschnitt nach der Linie 4-4 gemäß Fig. 3; Fig. 5 einen Teilschnitt nach der Linie 5-5 gemäß Fig. 3; Fig. 6 einen Teilschnitt nach der Linie 6-6 gemäß Fig. 3; Fig. 7 einen Teilschnitt nach der Linie J-J gemäß Fig. 3;FIG. 4 shows a partial section along the line 4-4 in FIG. 3; FIG. FIG. 5 shows a partial section along the line 5-5 in FIG. 3; FIG. 6 shows a partial section along the line 6-6 according to FIG. 3; 7 shows a partial section along the line JJ according to FIG. 3;

Fig. 8 eine abgewandelte Ausführungsform eines Brennstoff-Brenners gemäß der Erfindung;8 shows a modified embodiment of a fuel burner according to the invention;

Fig. 9 einen Teilschnitt nach der Linie 9-9 gemäß Fig. 8;9 shows a partial section along the line 9-9 according to FIG. 8;

Fig. 10 einen Teilschnitt nach der Linie 10-10 gemäß Fig. 9;FIG. 10 shows a partial section along the line 10-10 according to FIG. 9;

Fig. 11 einen Teilschnitt längs der Linie 11-11 gemäß Fig. 9;11 shows a partial section along the line 11-11 according to FIG. 9;

Fig. 12 einen Teilschnitt nach der Linie 12-12 gemäß Fig.FIG. 12 shows a partial section along the line 12-12 according to FIG.

Figur 1 zeigt die typische Auslegung eines Gasturbinentriebwerks 20 mit hohem Nebenstromverhältnis. Das Triebwerk 20 besitzt einen Frontfan 22 und eine Antriebsturbine 24 für diesen Frontfan. Ein Zwischendruckkompressor 26 wird von einer zugeordneten Zwischendruckturbine 28 angetrieben und ein Hochdruckkompressor 30 von einer zugeordneten Hochdruckturbine 32. Außerdem ist eine ringförmige Brennkammer 34 mit mehreren im gleichen Abstand angeordneten Brennstoff-Brennern 26 vorhanden, von denen einer in Figur 2 im einzelnen dargestellt ist.Figure 1 shows the typical layout of a gas turbine engine 20 with high bypass ratio. The engine 20 has a front fan 22 and a drive turbine 24 for this front fan. An intermediate pressure compressor 26 is driven by an associated intermediate pressure turbine 28 and a high pressure compressor 30 from an associated high pressure turbine 32. There is also an annular combustion chamber 34 with several equally spaced arranged fuel burners 26 available, one of which is shown in Figure 2 in detail.

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Jeder Brenner 36 weist einen Brennstoff zuführungsarm 38 auf, der in einer Öffnung 40 endet, in der ein Ring 42 angeordnet und festgelegt ist, wobei dieser Ring 42 teilweise eine Brennstoffzuführungsringleitung 44 bildet, die einen tangentialen Brennstoffeinlaß 46 besitzt.Each burner 36 has a fuel supply arm 38 which ends in an opening 40 in which a ring 42 is arranged and is fixed, this ring 42 partially being a fuel supply ring conduit 44 forms which has a tangential fuel inlet 46.

Ein Aufbau bestehend aus einem Zwisehenkörper 48 und einem inneren Körper 50 ist innerhalb des Rings 42 festgelegt und der Zwisehenkörper definiert in Kombination mit dem Ring die Brennstoffzuführungsleitung.A structure consisting of a toe body 48 and a inner body 50 is defined within ring 42 and the toe body in combination with the ring defines the Fuel supply line.

Der Zwisehenkörper und der innere Körper definieren zwischen sich einen Strömungskanal mit einem konvergierenden Abschnitt 52, einem divergierenden Abschnitt 54 und einer Einschnürung 56, und der Körper 48 besitzt mehrere im gleichen Abstand zueinander angeordnete Brennstoffeinlässe 58 stromauf des konvergierenden Abschnitts und in dem divergierenden Abschnitt 54 sind Luftwirbelschaufeln 60 angeordnet.The toe body and the inner body define between a flow channel with a converging section 52, a diverging section 54 and a constriction 56, and the body 48 has a plurality of equally spaced fuel inlets 58 upstream of the Converging section and in the diverging section 54 air vortex blades 60 are arranged.

Der innere Körper 50 besitzt Luftverwirbelungsmittel, die aus mehreren im gleichen Abstand zueinander angeordneten tangentialen Schlitzen 62 und einer Lippe 64 bestehen, die in den Strömungskanal von der inneren Oberfläche des Kanals vorsteht.The inner body 50 has air swirling means consisting of a plurality of equally spaced tangential slots 62 and a lip 64 are made in the Flow channel protruding from the inner surface of the channel.

Im Betrieb strömt Brennstoff vom Brennstoffzuführungsarm 48 in die Brennstoffleitung 44 über den Einlaß 46 und dann in den Strömungskanal stromauf des konvergierenden Abschnitts 52 durch die Brennstoffverwirbelungseinlässe 58. Komprimierte Luft vom Hochdruckkorapressor 30 strömt über einen Ringeinlaß 66 der Brennkammer 34 nach den Luftverwirbelungsvorrichtungen 60 und 62 eines jeden Brenners 36, wodurch eine Gesamtzuführung über den Kopf erfolgt. Der verwirbelte Brennstoff im Strömungskanal wird durch die Lippe 64 nach der äußeren Oberfläche ge- In operation, fuel flows from the fuel delivery arm 48 into fuel line 44 via inlet 46 and then into the flow channel upstream of converging section 52 through fuel swirl inlets 58. Compressed Air from high pressure compressor 30 flows through a ring inlet 66 of the combustion chamber 34 after the air swirlers 60 and 62 of each burner 36, creating a total feed takes place over the head. The swirled fuel in the flow channel is directed towards the outer surface by the lip 64

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richtet und mit der Luft gemischt, die durch die Schlitze 62 abströmt. Die Verwirbelungsmischung wird durch die Einschnürung gesteuert und wenn sie die scharfe Öffnung durchläuft, wird eine gute Zerstäubung in feine Tröpfchen gewährleistet. Der verstäubte Brennstoff vermischt mit Luft wird dann von der Wirbelluft aufgenommen, die aus den Schaufeln 60 austritt und nach außen in die Brennkammer verwirbelt, wobei sich eine weitere Zerstäubung ergibt.directed and mixed with the air passing through the slots 62 flows off. The vortex mixing is controlled by the constriction and when it passes through the sharp opening, becomes ensures good atomization in fine droplets. The atomized fuel is then mixed with air by the Vortex air received, which exits the blades 60 and swirled outward into the combustion chamber, with a further atomization results.

Ein Anteil der Mischung von verwirbeltem Brennstoff und Luft strömt über das gewölbte stromabwärtige Ende des Innenkörpers 50 ab, wäscht diesen und verhindert eine Kohlenstoffablagerung auf diesem Innenkörper oder es wird diese Ablagerung wenigstens reduziert.A portion of the mixture of fluidized fuel and air flows over the domed downstream end of the inner body 50, washes it off and prevents carbon build-up on this inner body or this deposit is at least reduced.

Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 bis J weist zahlreiche Ähnlichkeiten mit dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 auf, und der Hauptunterschied besteht in der Ausbildung der Luftverwirbelungsvorrichtung 60, die in diesem Fall Schlitze aufweist, die im stromabwärtigen Ende des Zwischenkörpers 48 eingearbeitet sind, wie dies in Fig. 4 dargestellt ist.The embodiment of Figures 3 to J has many similarities to the embodiment of Figure 2, and the main difference is the design of the air swirl device 60, which in this case has slots machined in the downstream end of the intermediate body 48, like this is shown in FIG.

Figur 5 zeigt die Brennstoffverwirbelungseinlässe 58 in dem Zwischenkörper 48, und Fig. 6 zeigt die Luftverwirbelungseinlässe 62 und die Lippe 64 des Innenkörpers 50, und Fig. 7 zeigt den tangentialen Brennstoffeinlaß 46 im Ring 42, der nach der Brennstoffleitung 44 führt.Figure 5 shows the fuel swirl inlets 58 in the Intermediate body 48, and FIG. 6 shows the air turbulence inlets 62 and the lip 64 of the inner body 50, and FIG. 7 shows the tangential fuel inlet 46 in the ring 42, which leads to the fuel line 44.

Die Arbeitsweise dieses Brenners entspricht jener, die unter Bezugnahme auf Fig. 2 beschrieben wurde.The operation of this burner corresponds to that which has been described with reference to FIG.

Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 8 bis 12 weist viele Ähnlichkeiten mit den vorbeschriebenen Ausführungsbeispielen auf, mitThe exemplary embodiment according to FIGS. 8 to 12 has many similarities with the embodiments described above, with

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dem Unterschied, daß die Lippe 64 von. der inneren Oberfläche des Strömungskanals entfernt und eine Lippe an der äußeren Oberfläche des Kanals stromab der Luftverwirbelungseinlässe 62 vorgesehen ist. Die Luftverwirbelungseinlässe 6O haben die Gestalt tangentialer Schlitze, von denen in Pig. 9 nur einer dargestellt ist. Es sind jedoch mehrere derartige Schlitze in gleichen Abstand angeordnet.the difference that the lip 64 of. the inner surface of the flow channel and a lip on the outer surface of the channel downstream of the air swirl inlets 62 is provided. The air swirl inlets 60 are in the form of tangential slots, one of which is shown in Pig. 9 only one is shown. However, there are several such slots arranged at the same distance.

Die Figuren 10, 11 und 12 entsprechen den Figuren 5, 6 und 7, wobei festzustellen ist, daß mehrere Luftverwirbelungseinlässe 62 vorgesehen sind, wie aus Fig. 11 ersichtlich.Figures 10, 11 and 12 correspond to Figures 5, 6 and 7, it should be noted that a plurality of air swirl inlets 62 are provided as shown in FIG.

Dieses Ausführungsbeispiel arbeitet in gleicher Weise wie die vorbeschriebenen beiden Ausführungsbeispiele mit dem Unterschied, daß die Verwirbelungsluft aus den Einlassen 62 den von der nunmehr in den Strömungskanal von der äußeren Oberfläche her einstehenden Lippe ankommenden Brennstoff aufnimmt .This embodiment works in the same way as the two embodiments described above with the The difference is that the swirling air from the inlets 62 from the now into the flow channel from the outer Surface protruding lip absorbs incoming fuel.

Die Brennstoff- und Luftverwirbelungseinlässe 58, 60 und 62 können so angeordnet sein, daß Brennstoff bzw. Luft jeweils in der gleichen Richtung verwirbelt werden, oder einer oder beide Einlasse 58, 60 und 62 können so angeordnet werden, daß die Jeweiligen Strömungsmittel in einer Richtung entgegengesetzt zur Abströmrichtung durch den verbleibenden Einlaß verwirbelt werden.The fuel and air swirl inlets 58, 60 and 62 can be arranged so that fuel or air are swirled in the same direction, or one or both inlets 58, 60 and 62 can be arranged so that swirls the respective fluid in a direction opposite to the outflow direction through the remaining inlet will.

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Claims (13)

PatentansprücheClaims Al.) Brenner für ein Gasturbinentriebwerk mit einem Brennstoffzuführungsarm, einer Brennstoffeinlaßleitung,der Brennstoff vom Brennstoffzuführungsarm zugeführt wird,Al.) Burner for a gas turbine engine with a Fuel supply arm, a fuel inlet conduit, the Fuel is supplied from the fuel supply arm, dadurch gekennzeichnet, daß ein Strömungskanal mit konvergierenden und divergierenden Abschnitten und einer Einschnürung zwischen diesen Abschnitten vorgesehen ist, wobei der Strömungskanal stromauf der Einschnürung Brennstoff von der Brennstoffleitung über Brennstoffverwirbelungsmittel und komprimierte Luft durch erste Kanalverwirbelungsmittel erhält, und daß im divergierenden Abschnitt eine zweite Luftverwirbelungsvorrichtung derart angeordnet ist, daß sie komprimierte Luft und die Brennstoff-Luftmischung empfängt, die aus der Einschnürung austritt und durch die Verwirbelungsluft aufgenommen wird, die von den zweiten Verwirbelungsmitteln austritt.characterized in that a flow channel with converging and diverging sections and a constriction between these sections is provided, wherein the flow channel upstream of the constriction, fuel from the fuel line via fuel swirling means and receiving compressed air through first duct swirl means, and that a second air turbulence device is arranged in the diverging section in such a way that it compressed air and the fuel-air mixture receives that emerges from the constriction and is absorbed by the turbulence air that exits from the second swirling means. 2. Brenner nach Anspruch 1,2. Burner according to claim 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffverwirbelungsmittel den Brennstoff in der gleichen Richtung verwirbeln wie die Luft durch die erste Luftverwirbelungsvorrichtung verwirbelt wird.characterized in that the fuel swirling means the fuel swirl in the same direction as the air swirled by the first air swirl device will. 130012/0898130012/0898 -I--I- 3. Brenner nach Anspruch 2,3. Burner according to claim 2, dadurch gekennzeichnet, dai die Brennstoffverwirbelungsmittel den Brennstoff in der entgegengesetzten Richtung zu der Luft verwirbeln, die durch die erste Luftverwirbelungsvorrichtung beeinflußt wurde.characterized, because the fuel swirling means the fuel swirl in the opposite direction to the air passing through the first air swirl device was influenced. 4. Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennze ichnet, daß die erste Verwirbelungsvorriehtung derart angeordnet ist, daß die Luft in der gleichen Richtung wie die Luft durch die zweite Luftverwirbelungsvorrichtung verwirbelt wird.4. Burner according to one of the preceding claims, characterized in that that the first vortex device is arranged so that the air in the same Direction as the air through the second air swirl device is swirled. 5. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennze ichnet, daß erste und zweite Luftverwirbelungsraittel so angeordnet sind, daß ihre jeweiligen Luftströmungen in Richtung entgegengesetzt zueinander verwirbelt werden.5. Burner according to one of claims 1 to 4, characterized in that that first and second air swirling means are arranged so that their respective air currents are swirled in the opposite direction to each other. 6. Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Brennstoff-Ablenkmittel in den Strömungskanal der Brennstoff-Verwirbelungsvorriehtung gegenüberliegend einstehen.6. Burner according to one of the preceding claims, characterized in that that fuel baffle means in the flow channel of the fuel swirl device opposite stand up. 7. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoff-Verwirbelungsvorriehtung stromab einer Schulter angeordnet ist, die in den Strömungskanal einsteht. 7. Burner according to one of claims 1 to 5, characterized in that that the fuel swirl device is arranged downstream of a shoulder which protrudes into the flow channel. 130012/0898130012/0898 BADBATH 8. Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffleitung einen Ring aufweist, der in einer Öffnung am Ende des Brennstoffzuführungsarmes angeordnet ist, und daß ein Zwischenglied und ein Ring vorgesehen sind, der eine Ausnehmung besitzt, welche die Brennstoffzuführungsleitung bildet, und daß ein tangentialer Brennstoffeinlaß mit dem Brennstoffzuführungsarm in Verbindung steht.8. Burner according to one of the preceding claims, characterized in that that the fuel line has a ring which is in an opening at the end of the fuel supply arm is arranged, and that an intermediate member and a ring are provided which has a recess which forms the fuel supply line, and that a tangential Fuel inlet communicates with the fuel delivery arm. 9. Brenner nach Anspruch 8,9. Burner according to claim 8, dadurch gekennzeichnet^ daß der Strömungskanal durch einen Zwischenkörper und einen Innenkörper definiert ist, und daß der Zwischenkörper mit den Brennstoff-Verwirbelungsmitteln und der zweiten Luftverwirbelungsvorrichtung versehen ist, während der Innenkörper mit der ersten Luftverwirbelungsvorrichtung ausgestattet ist.characterized ^ that the flow channel through an intermediate body and an inner body is defined, and that the intermediate body with the fuel swirling means and the second air swirl device is provided, while the inner body is provided with the first air swirl device is equipped. 10. Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoff-Luftverwirbelungsvorrichtungen einen Ring mit im gleichen Abstand zueinander liegenden Öffnungen aufweisen, deren Achsen tangential zum Strömungskanal angeordnet sind.10. Burner according to one of the preceding claims, characterized in that that the fuel-air swirlers have a ring with equally spaced openings, the axes of which are arranged tangentially to the flow channel. 11. Brenner nach Anspruch 11r 11. Burner according to claim 11 r dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen in dem Zwischenkörper und iru dem Innenkörper ausgearbeitet sind.characterized, that the openings in the intermediate body and iru the Inner bodies are worked out. 13 0 0 12/089813 0 0 12/0898 12. Brenner nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoff-Luftverwirbelungsmittel jeweils von mehreren im gleichen Abstand zueinander angeordneten Schaufeln gebildet sind.12. Burner according to claim 11, characterized in that that the fuel-air swirling means each of several arranged at the same distance from one another Blades are formed. 130012/0898130012/0898
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